太行山中段石湖金矿矿体地质特征及同位素成因意义
时间：2023-02-13 21:35:05 来源：千叶帆 本文已影响人
门文辉
石湖金矿是冀西地区重要的金矿产地之一，其矿床成因一直是众多地质工作者关注的问题，对石湖金矿的矿物学、成矿规律、矿床成因等方面进行了系统研究，积累了详实的地质资料，对石湖金矿的矿床地质特征、矿床成因、成矿规律等也有了较为成熟的认识，基本上认为石湖金矿与太行山中段的麻棚岩体存在着密切的成因联系。
本文在详细的矿床地质研究的基础上，从同位素组成特征方面进行了分析，探讨了成矿物质的来源，阐明了矿床成因机制，以期为太行山构造-岩浆-多金属成矿带内金成矿研究提供地质依据。
石湖金矿位于太行山构造-岩浆-多金属成矿带中部，区域出露的地层以阜平群中深变质岩地层为主，包括四道河组、木厂组、漫山组、南营组、团泊口组、索家庄组等6个岩组，其原岩主要为陆源碎屑岩夹镁质碳酸盐，变质程度主要为高角闪岩相。其中团泊口组金平均含量可高达54.8×10-9，被认为是金成矿的良好矿源层。
区域褶皱构造主要表现为向E倾伏的陈庄大型复向斜的NW翼；
区域断裂构造主要包括与区域褶皱构造平行的近EW向展布的深大断裂和NNE向、近NNW-SN向的韧-脆性断裂，其中后者与区域Cu-Au多金属矿产出关系密切。
区域岩浆岩包括燕山期花岗岩和大量中酸性脉岩，总体呈近SN向展布，具代表性的岩体为沿北冶-麻棚-杨家庄深大断裂分部麻棚岩体和赤瓦屋岩体，多数学者认为麻棚岩体与区域金成矿作用具有内在成因联系。
矿区地层主要为团泊口组和南营组，其中团泊口组与金成矿关系密切，根据岩性自下向上可划分为3个岩性层，分别为下段为黑云斜长片麻岩、角闪黑云斜长片麻岩夹斜长角闪岩、透镜状含石榴子石斜长角闪岩，局部见肉红色厚层状含磁铁钾长浅粒岩；
中段为黑云斜长片麻岩、钾长浅粒岩和灰白色-灰绿色黑云斜长片麻岩；
上段为黑云斜长片麻岩夹断续斜长角闪岩透镜体，中、下段为石湖金矿赋矿层位；
矿区褶皱构造包括轴向NW展布的土岭东沟-三棱尖南背斜构造和近EW向展布的坡梁尖-水泉向斜构造；
断裂构造主要表现为受NE向赤城-娘子关断裂影响而形成的近SN向、NW向和NWW向叠加于早期EW向基底断裂之上的断裂构造，其中近SN向和NW向断裂构造为区内金矿体的控矿构造、控制了区内矿体的空间展布特征；
矿区岩浆岩主要为麻棚岩体及一系列与其有成因联系的中酸性脉岩，笔者2014年测得麻棚岩体及外围石英闪长玢岩脉的锆石U-Pb年龄为135-136.0Ma，认为该期岩浆岩与石湖金矿矿床成因关系密切。
3.1 矿体特征
石湖金矿区内至今已发现50余条矿（化）带，矿脉长度300～3200m，宽度0.1～40m不等，矿（化）带分布严格受断裂构造控制，多呈近SN向及NW向展布。其中101矿带位于矿区中部，全长大于3200m，宽8～42m，走向334～5°，倾向E、倾角53～82°。带内101-4、101-2矿体规模较大，其余矿体规模均较小。
101-4矿体严格受断裂构造控制，赋矿岩石为阜平群团泊口组构造角砾岩，矿体顶底板多为蚀变程度不同的片麻岩及少量浅粒岩或斜长角闪岩等，少量为石英闪长玢岩。矿体呈断续脉状、扁豆状、透镜状产出，走向和倾向均具有明显的膨大收缩、分枝复合、尖灭再现、尖灭侧现等特征。矿体产状稳定，337～342°∠53～80°。赋矿标高-32～655m，工程控制斜深约800m。矿石品位2.22～154.04×10-6，平均10.77×10-6，矿体厚0.36～4.96m，平均1.40m。
101-2矿体产出状态与101-4特征相似，呈续脉状、扁豆状、透镜状产出，走向和倾向均具有明显的膨大收缩、分枝复合、尖灭再现、尖灭侧现等特征。以220m中段为界，上部倾向北西，下部倾向南东，走向320°，倾角65～82°。赋矿标高108-718m，控制斜深约420m。矿石品位1.52～342.71×10-6，平均8.71×10-6；
矿体厚0.27～2.71m，平均1.70m。
3.2 矿石质量特征
（1）矿物矿物组成
根据野外观察及显微镜下鉴定，矿石贵金属矿物为自然金、银；
金属矿物主要为黄铁矿、方铅矿、闪锌矿、黄铜矿、斑铜矿、磁铁矿等；
非金属矿物主要为石英、绢云母、绿泥石、方解石、白云石、高岭石等。主要金属矿物特征如下：
黄铁矿：金属光泽，浅黄色，半自形-自形晶体颗粒，粒径在0.05-2mm之间，部分＞5mm。可能受后期构造活动影响，普遍具碎裂结构，被晚期形成的闪锌矿、方铅矿胶结或被闪锌矿、黄铜矿交代，为主要载金矿物。
闪锌矿：它形-半自形粒状，粒径在0.05-2.5mm之间，与方铅矿、黄铜矿和黄铁矿密切共生。显微镜下常见其交代黄铁矿，后期又被方铅矿交代。晶体内常出溶乳滴状黄铜矿。
方铅矿：半自形-自形粒状，粒径在 0.5-5mm 之间，沿黄铁矿和闪锌矿裂隙充填或交代分布。
黄铜矿：主要以它形粒状和乳滴状产出，它形粒状多不规则形态，部分沿黄铁矿裂隙交代黄铁矿；
乳滴状出溶于闪锌矿内，多具熔离结构。
（2）矿石结构构造
石湖金矿矿石构造主要有块状构造、浸染状构造、角砾状构造、星点状构造、细脉状构造、多孔状构造等。
块状构造：黄铁矿、方铅矿、闪锌矿、黄铜矿与石英组成致密块状矿物集合体，形成块状矿石；
浸染状构造：不规则状硫化物矿物呈半自形-他形等分散在石英脉和硅化岩内；
角砾状构造：围岩角砾被黄铁矿-石英胶结形成角砾状构造；
另一种是早阶段的黄铁矿-石英脉被破碎成角砾并被其他多金属硫化物所胶结；
星点状构造：成矿早期自形程度好的黄铁矿呈星散状分布于乳白色石英脉内；
呈斑点状产出；
细脉状构造：多金属硫化物呈细脉状充填于石英脉中，或晚阶段金属硫化物呈细脉状充填于早期硫化物裂隙内；
多孔状、蜂窝状构造：常见于近地表氧化矿石内，硫化物氧化流失后形成蜂窝状构造。
矿石结构有自形晶粒状结构、半自形-它形晶粒状结构、侵蚀结构、交代残余结构、压碎结构、包含结构和乳滴状结构等。
自形晶粒状结构：黄铁矿以自形粒状分布于石英脉中，其后期往往发育碎裂，具碎裂结构，但自形晶轮廓清楚；
半自形-他形晶粒状结构：石英脉或蚀变岩内黄铁矿呈半自形-他形不规则晶粒星散状分布，常与方铅矿、闪锌矿等金属硫化物构成多金属硫化物矿石，矿石内方铅矿、闪锌矿主要呈不规则它形粒状结构；
侵蚀结构：成矿早阶段形成的黄铁矿，被晚阶段方铅矿、闪锌矿交代，部分闪锌矿又被稍晚的方铅矿交代。镜下可见早期黄铁矿晶体边界具不规则港湾状或侵蚀凹陷；
交代残余结构：不同阶段硫化物矿物间的相互交代，如晚阶段方铅矿、黄铜矿沿闪锌矿裂隙或边界交代，使方铅矿内出现闪锌矿残留；
碎裂结构：早期自形黄铁矿被压碎后由石英所充填胶结；
乳滴状结构：镜下常见黄铜矿在闪锌矿内呈乳滴状产出。
3.3 矿石类型
石湖金矿载金金属硫化物矿物主要为黄铁矿，根据矿石矿物组成和矿石结构构造，将矿石分为4种类型：含金褐铁矿化矿石：产于地表或近地表，为原生矿氧化后形成，占矿石总量的5%；
石英-多金属硫化物矿石：主要分布在断裂带的硅化带中，为石湖金矿的主要工业矿体，约占矿石总量的50%；
石英-黄铁矿-粗脉矿石：主要分布于构造虚脱部位，如复式褶皱次级背斜鞍状虚脱部位，约占矿石总量的30%，含金硫化物为黄铁矿；
网脉浸染状金矿石：分布于控矿断裂带的次级断裂内，占矿石总量的15%，矿石矿物常呈稀疏浸染状产出，且含金量较低，常呈网脉状形成工业矿体。
3.4 金的赋存状态
矿石内金主要以自然金、银金矿、金银矿等形式在黄铁矿、方铅矿、闪锌矿、黄铜矿等硫化物中产出。按粒度分为明金、显微金和晶格金等三种。明金一般赋存于近地表氧化带内，粒度2-3mm，呈椭圆形和长条形分布于硫化物矿石内，数量极少；
显微金分布于硫化物（如黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿、方铅矿等）矿物裂隙、粒间或矿物内部，常形成裂隙金、粒间金和包体金。综合前人统计结果，裂隙金约占36%，粒间金约占40%，包体金约占24%。金矿物粒径多在0.074-0.3mm（约占50%）和0.01-0.074mm（约占48%），为中粗粒金，另有少量微粒金（＜0.001mm，约占2%）。金矿物形态较复杂，有椭圆粒状、角砾状、树枝状、针状、圆粒状等。张步升还通过对黄铁矿的物相分析，发现黄铁矿中存在晶格金，多以Au+和Au-的形式出现。
实践证明，同位素组成特征在判断成矿矿质来源、成矿流体来源及演化历史、矿石沉淀析出条件等方面都起到了重要的作用。本文通过资料收集整理，分析同位素地球化学特征，旨在对石湖金矿成矿物质来源进行梳理，为矿床成因研究提供依据。具体特征如下：
4.1 石英脉流体包裹体C-H-O同位素特征
研究δD与δ18O是示踪成矿作用过程中水溶液来源的重要手段。不同来源成矿流体具有不同δD、δ18O同位素组成。石湖金矿石英脉中流体包裹体的δDV-SMOW介于-87～101‰之间，δ18OW-SMOW介于6.2～8.2‰之间，在δDV-SMOW-δ18OQ-SMOW关系图中投点落在岩浆水、变质水和大气降水之间的范围内，最靠近岩浆水，表明石湖金矿成矿热液氢氧同位素组成具有多源特征，为受大气降水和变质水共同影响的深部岩浆热液。
流体包裹体碳同位素δ13C（‰）值在-5.76～-4.29‰之间，接近于“初生碳”同位素（-5～7δ13C(‰)），且变化范围较小。表明石湖金矿成矿流体中碳为岩浆或地幔热液来源。氧同位素变化范围较窄，+4.56～+5.48‰，多数集中5‰左右，反映成矿流体中氧同位素均一程度很高，来源与碳同位素一致，也为岩浆或地幔热液源。
4.2 多金属硫化物S、Pb同位素特征
（1）S同位素特征
硫同位素研究是探讨矿床成因、示踪成矿物质来源和划分成矿时代等的有效途径之一。金的亲硫性特征更决定了研究金质来源必须以研究矿床中硫的来源为基础。一般将成矿热液的总硫同位素分为三种类型：①δ34S接近于0，一般认为是幔源硫或地壳深部大量物质均一法的结果；
②δ34S为较大的正值，有时达+20‰左右，大多为海水或沉积地层硫；
③混合硫，不同硫同位素来源的混合，δ34S介于上述两种类型之间为+5～+15‰。
石湖金矿区金属硫化物δ34S数据在-2.15～4.01×10-3之间，平均值为1.67×10-3，变化范围较小。同位素组成直方图中δ34S分布相对集中且塔式分布明显，说明成矿物质在运移过程中发生过S均一化作用，表明石湖金矿区δ34S主要来源于深部地幔，也反映成矿流体主要为岩浆热液来源。
（2）Pb同位素
铅同位素组成除受放射性衰变和混合作用影响外，不会在物理、化学和生物作用过程中发生变化，即在矿质运移和沉淀过程中铅同位素组成保持不变。因此铅同位素被广泛应用于示踪成矿物质来源、判别构造环境等方面的研究。
石湖金矿区矿石铅同位素组成变化范围较窄，208Pb/204Pb=27.121～38.496、207Pb/204Pb=15.134～ 15.667、206Pb/204Pb=16.002～18.100，表明矿床铅成熟度较高，且富集铀铅、亏损钍铅，表现出明显的岩浆热液成因铅特点。
在R.E.Zartman（1979）铅同位素207Pb/204Pb-206Pb/204Pb构造环境判别图解上，所有样品均集中在下地壳演化线两侧，部分样品靠近上地幔演化线，总体反映铅源较深，主要来源于下地壳，且具有壳幔混合铅源的特征。在矿石铅同位素△β-△γ成因分类图解亦有相同特征，表明矿石铅同位素主要分布在深变质下地壳铅和地幔源铅范围内，与硫源特征基本一致。
5.1 成矿物质来源
（1）阜平群团泊口组地层中Au、Ag等成矿元素具有较高的背景值。Au平均含量约为地壳丰度的17.9倍，为区域背景的19.2倍，Ag为地壳丰度的1.7倍，而其他元素含量均低于地壳丰度和区域背景值。前人研究认为，该区团泊口组内部夹斜长角闪岩为原始沉积形成时基性火山岩的加入，Au质可能随基性火山岩进入到地层，随后在历经区域变质、混合岩化等地质作用过程中迁移富集，最终在团泊口组地层中形成较高的含Au背景。因此，团泊口组地层是石湖金矿潜在的矿源层。
（2）麻棚岩体斑状花岗岩Au平均含量2.46×10-9，花岗闪长岩Au平均含量1.5×10-9，石英闪长岩Au平均含量0.6×10-9，较世界花岗岩（4.5×10-9）含量低，整体表现含金性较差，可能不是石湖金矿的主要成矿母岩，只是在矿质运移及沉淀过程中提供了部分成矿物质和成矿流体。
（3）石英闪长玢岩脉的Au含量平均可达28×10-6。但由于石英闪长玢岩脉与矿体关系密切，且部分为矿体的直接顶底板，因此其高的含金性可能是脉岩先于成矿侵入到断裂破碎带后，在后期成矿热液流经脉体时对其混染矿化蚀变作用的结果，所以石英闪长玢岩脉的高含金性不能作为判断成矿物质来源的依据。
5.2 成矿机理
晚太古代至早元古代阜平群富Au原岩沉积地层经历了强烈的阜平造山运动，受其影响区域地层经历了强烈的区域变质作用和混合岩化作用，使原始沉积地层中的Au质在团泊口组地层中聚集形成较高的含金背景。随后吕梁运动使区域整体隆升，进入稳定的盖层演化阶段，区域总体构造格架未发生明显的改造作用。
中生代以来，区域地层发生强烈的NE及NNE向构造-岩浆活动及与之相应的成岩成矿作用。主要表现为深埋的阜平群地层发生部分熔融和大量下地壳或上地幔物质的上升侵位，形成区域花岗岩体（麻棚岩体、赤瓦屋岩体）的原始岩浆，同时大规模构造-岩浆活动促使早期近SN向断裂构造活化，为岩浆就位及热液的运移提供了有利的成矿空间和运移通道。在岩浆向浅部运移过程中发生充分的结晶分异，并形成富集成矿流体，流体沿构造通道继续向上运移过程中，与围岩进行了充分的水岩反应，并萃取围岩地层中的Au，使其含金性进一步提高，当流体进入张性构造裂隙时发生减压沸腾，并受大气降水和变质流体的耦合作用，最终在成矿有利部位沉淀成矿。
（1）C-H-O同位素组成特征分析表明石湖金矿成矿流体为与麻棚岩体有关的受大气降水和变质水影响的岩浆期后热液；
S-Pb同位素分析表明，石湖金矿成矿物质来源较深，可能来源于下地壳或上部地幔，或者为二者的转换部位。
（2）结合矿床地质特征及矿床成因浅析，笔者认为石湖金矿为受深部岩浆期后热液影响而形成的石英脉型金矿床。
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